KR102299165B1 - 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 - Google Patents

터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치는, 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서, 상기 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱, 상기 케이싱에 원주방향으로 형성되는 홈에 설치되고 공급되는 냉기에 의해 수축되는 냉각 플레이트, 상기 홈에 상기 냉각 플레이트의 반경방향 외측에 장착되고 복수의 냉기홀이 형성된 상부 플레이트, 상기 상부 플레이트의 내주면에 반경방향으로 연장되고 측면에 복수의 쿨링홀이 형성된 실린더부, 및 상기 냉각 플레이트의 반경방향 내측에 장착되는 링 세그먼트를 포함한다.

Description

터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈{Apparatus for controlling tip clearance of turbine blade and gas turbine compring the same}
본 발명은 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈에 관한 것이다.
터빈이란 증기, 가스와 같은 압축성 유체의 흐름을 이용하여 충동력 또는 반동력으로 회전력을 얻는 기계장치로, 증기를 이용하는 증기터빈 및 고온의 연소가스를 이용하는 가스 터빈 등이 있다.
이 중, 가스 터빈은 크게 압축기와 연소기와 터빈으로 구성된다. 압축기는 공기를 도입하는 공기 도입구가 구비되고, 압축기 하우징 내에 복수의 압축기 베인과, 압축기 블레이드가 교대로 배치되어 있다.
연소기는 압축기에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고 버너로 점화함으로써 고온고압의 연소가스가 생성된다.
터빈은 터빈 하우징 내에 복수의 터빈 베인과, 터빈 블레이드가 교대로 배치되어 있다. 또한, 압축기와 연소기와 터빈 및 배기실의 중심부를 관통하도록 로터가 배치되어 있다.
로터는 양단부가 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다. 그리고, 로터에 복수의 디스크가 고정되어, 각각의 블레이드가 연결되는 동시에, 배기실측의 단부에 발전기 등의 구동축이 연결된다.
이러한 가스 터빈은 4행정 기관의 피스톤과 같은 왕복운동 기구가 없기 때문에 피스톤-실린더와 같은 상호 마찰부분이 없어 윤활유의 소비가 극히 적으며 왕복운동기계의 특징인 진폭이 대폭 감소되고, 고속운동이 가능한 장점이 있다.
가스 터빈의 작동에 대해서 간략하게 설명하면, 압축기에서 압축된 공기가 연료와 혼합되어 연소됨으로써 고온의 연소가스가 만들어지고, 이렇게 만들어진 연소가스는 터빈측으로 분사된다. 분사된 연소가스가 터빈 베인 및 터빈 블레이드를 통과하면서 회전력을 생성하고, 이에 로터가 회전하게 된다.
이때 터빈 케이싱과 블레이드 사이에는 팁 클리어런스(Tip clearance)로 정의되는 간격이 형성된다. 팁 클리어런스가 적정 수준 이상으로 커지면 일을 하지 않고 터빈 케이싱과 블레이드 사이로 빠져나가는 연소가스의 양이 증가하여 가스터빈 전체의 효율이 감소한다. 반대로 팁 클리어런스가 적정 수준 이하로 작아지면 터빈 케이싱의 내벽을 블레이드가 긁게 되는 문제가 발생한다. 따라서 터빈의 팁 클리어런스를 적정한 수준에서 조절하는 것은 가스터빈의 성능을 향상시키는 것과 밀접한 관련이 있다.
등록특허공보 제10-1957590호
본 발명은 냉기가 공급되는 냉각 플레이트의 형상을 개선하여 냉기를 더 효율적으로 전달받아 반경방향으로 더 많이 수축될 수 있는 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치는, 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서, 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱, 케이싱에 원주방향으로 형성되는 홈에 설치되고 공급되는 냉기에 의해 수축되는 냉각 플레이트, 홈에 냉각 플레이트의 반경방향 외측에 장착되고 복수의 냉기홀이 형성된 상부 플레이트, 상부 플레이트의 내주면에 반경방향으로 연장되고 측면에 복수의 쿨링홀이 형성된 실린더부, 및 냉각 플레이트의 반경방향 내측에 장착되는 링 세그먼트를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 복수의 냉기홀은 실린더부의 내부로 냉기를 공급하는 제1냉기홀과, 제1냉기홀의 주위에 배열되어 실린더부의 외측과 냉각 플레이트의 내측 사이의 공간으로 냉기를 공급하는 복수의 제2냉기홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 제2냉기홀은 실린더부의 외주면 방향으로 냉기를 공급하도록 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 실린더부의 하단은 냉각 플레이트의 상면에 일체로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 냉각 플레이트는 케이싱의 홈에 배치되는 본체부와, 본체부의 반경방향 내측에 형성되는 장착홈부와, 본체부의 반경방향 외주면 양측에 외측으로 연장되는 한 쌍의 측벽부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 실린더부는 하나의 링 세그먼트에 대응하는 상부 플레이트에 복수개가 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 복수의 제2냉기홀은 제1냉기홀의 주위에 4개가 동일한 간격으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 복수의 제2냉기홀은 제1냉기홀의 주위에 8개가 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 복수의 제2냉기홀 중 4개의 제2냉기홀은 다른 4개의 제2냉기홀에 비해 제1냉기홀을 중심으로 서로 다른 동심원 상에 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에서, 복수의 쿨링홀은 실린더부의 측벽에 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈은, 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기, 터빈 케이싱 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 터빈 블레이드가 회전하는 터빈, 및 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치를 포함하고, 팁 클리어런스를 제어하는 장치는 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱, 케이싱에 원주방향으로 형성되는 홈에 설치되고 공급되는 냉기에 의해 수축되는 냉각 플레이트, 홈에 냉각 플레이트의 반경방향 외측에 장착되고 복수의 냉기홀이 형성된 상부 플레이트, 상부 플레이트의 내주면에 반경방향으로 연장되고 측면에 복수의 쿨링홀이 형성된 실린더부, 및 냉각 플레이트의 반경방향 내측에 장착되는 링 세그먼트를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 복수의 냉기홀은 실린더부의 내부로 냉기를 공급하는 제1냉기홀과, 제1냉기홀의 주위에 배열되어 실린더부의 외측과 냉각 플레이트의 내측 사이의 공간으로 냉기를 공급하는 복수의 제2냉기홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 제2냉기홀은 실린더부의 외주면 방향으로 냉기를 공급하도록 경사지게 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 실린더부의 하단은 냉각 플레이트의 상면에 일체로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 냉각 플레이트는 케이싱의 홈에 배치되는 본체부와, 본체부의 반경방향 내측에 형성되는 장착홈부와, 본체부의 반경방향 외주면 양측에 외측으로 연장되는 한 쌍의 측벽부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 실린더부는 하나의 링 세그먼트에 대응하는 상부 플레이트에 복수개가 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 복수의 제2냉기홀은 제1냉기홀의 주위에 4개가 동일한 간격으로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 복수의 제2냉기홀은 제1냉기홀의 주위에 8개가 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 복수의 제2냉기홀 중 4개의 제2냉기홀은 다른 4개의 제2냉기홀에 비해 제1냉기홀을 중심으로 서로 다른 동심원 상에 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈에서, 복수의 쿨링홀은 실린더부의 측벽에 경사지게 형성될 수 있다.
상기한 본 발명의 터빈 블레이드의 팁 클리어런스 제어장치 및 이를 포함하는 가스 터빈에 의하면, 냉기가 공급되는 냉각 플레이트의 형상을 개선하여 냉기를 더 효율적으로 전달받아 반경방향으로 더 많이 수축될 수 있다.
이에 따라, 냉각 플레이트에 장착된 링 세그먼트도 반경방향으로 더 많이 이동될 수 있으므로, 터빈 블레이드의 팁 클리어런스를 더 넓은 범위에서 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 단면도이다.
도 6은 상부 플레이트를 통해 냉각 플레이트로 공급되는 냉기의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 7은 냉각 플레이트에 링 세그먼트가 결합된 것을 나타내는 사시도(a)와 측면도(b)이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에 냉기를 공급하기 전과 후에 냉각 플레이트의 반경방향 변형량을 나타내는 그림이다.
도 9는 하나의 냉각 플레이트 세그먼트에 3개의 실린더부가 배치된 경우 온도 분포를 나타내는 사시도와 냉각 플레이트의 반경방향 변형량을 나타내는 그림이다.
도 10은 상부 플레이트에 형성되는 제2냉기홀들의 다른 실시예들을 나타내는 개략도이다.
도 11은 실린더부에 형성되는 쿨링홀들의 다른 실시예들을 나타내는 개략도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 일부 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 개략적인 구조를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈의 내부 구조를 나타내는 일부 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 압축기(1100), 연소기(1200), 터빈(1300)을 포함한다. 압축기(1100)는 방사상으로 설치된 다수의 블레이드(1110)를 구비한다. 압축기(1100)는 블레이드(1110)를 회전시키며, 블레이드(1110)의 회전에 의해 공기가 압축되면서 이동한다. 블레이드(1110)의 크기 및 설치 각도는 설치 위치에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서 압축기(1100)는 터빈(1300)과 직접 또는 간접적으로 연결되어, 터빈(1300)에서 발생되는 동력의 일부를 전달받아 블레이드(1110)의 회전에 이용할 수 있다.
압축기(1100)에서 압축된 공기는 연소기(1200)로 이동한다. 연소기(1200)는 환형으로 배치되는 복수의 연소 챔버(1210)와 연료 노즐 모듈(1220)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 터빈(1000)은 하우징(1010)을 구비하고 있고, 하우징(1010)의 후측에는 터빈을 통과한 연소가스가 배출되는 디퓨져(1400)가 구비되어 있다. 그리고, 디퓨져(1400)의 앞쪽으로 압축된 공기를 공급받아 연소시키는 연소기(1200)가 배치된다.
공기의 흐름 방향을 기준으로 설명하면, 하우징(1010)의 상류측에 압축기 섹션(1100)이 위치하고, 하류 측에 터빈 섹션(1300)이 배치된다. 그리고, 압축기 섹션(1100)과 터빈 섹션(1300)의 사이에는 터빈 섹션(1300)에서 발생된 회전토크를 압축기 섹션(1100)으로 전달하는 토크 전달부재로서의 토크튜브 유닛(1500)이 배치되어 있다.
압축기 섹션(1100)에는 복수(예를 들어 14매)의 압축기 로터 디스크(1120)가 구비되고, 각각의 압축기 로터 디스크(1120)들은 타이로드(1600)에 의해서 축 방향으로 이격되지 않도록 체결되어 있다.
구체적으로, 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 회전축을 구성하는 타이로드(1600)가 대략 중앙을 관통한 상태로 서로 축 방향을 따라서 정렬되어 있다. 여기서, 이웃한 각각의 압축기 로터 디스크(1120)는 대향하는 면이 타이로드(1600)에 의해 압착되어, 상대 회전이 불가능하도록 배치된다.
압축기 로터 디스크(1120)의 외주면에는 복수 개의 블레이드(1110)가 방사상으로 결합되어 있다. 각각의 블레이드(1110)는 도브테일부(1112)를 구비하여 압축기 로터 디스크(1120)에 체결된다.
각각의 로터 디스크(1120)의 사이에는 하우징에 고정되어 배치되는 베인(미도시)이 위치한다. 베인은 로터 디스크와는 달리 회전하지 않도록 고정되며, 압축기 로터 디스크의 블레이드를 통과한 압축 공기의 흐름을 정렬하여 하류측에 위치하는 로터 디스크의 블레이드로 공기를 안내하는 역할을 하게 된다.
도브테일부(1112)의 체결방식은 탄젠셜 타입(tangential type)과 액셜 타입(axial type)이 있다. 이는 상용되는 가스 터빈의 필요 구조에 따라 선택될 수 있으며, 통상적으로 알려진 도브테일 또는 전나무 형태(Fir-tree)를 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 상기한 형태 외의 다른 체결장치, 예를 들어 키이 또는 볼트 등의 고정구를 이용하여 블레이드를 로터 디스크에 체결할 수 있다.
타이로드(1600)는 복수 개의 압축기 로터 디스크(1120) 및 터빈 로터 디스크(1322)들의 중심부를 관통하도록 배치되어 있으며, 타이로드(1600)는 하나 또는 복수의 타이로드로 구성될 수 있다. 타이로드(1600)의 일측 단부는 최상류측에 위치한 압축기 로터 디스크 내에 체결되고, 타이로드(1600)의 타측 단부는 고정 너트(1450)에 의해 체결될 수 있다.
타이로드(1600)의 형태는 가스 터빈에 따라 다양한 구조로 이뤄질 수 있으므로, 반드시 도 2에 제시된 형태로 한정될 것은 아니다. 즉, 도시된 바와 같이 하나의 타이로드가 로터 디스크의 중앙부를 관통하는 형태를 가질 수도 있고, 복수 개의 타이로드가 원주상으로 배치되는 형태를 가질 수도 있으며, 이들의 혼용도 가능하다.
도시되지는 않았으나, 가스 터빈의 압축기에는 유체의 압력을 높이고 난 후 연소기 입구로 들어가는 유체의 유동각을 설계 유동각으로 맞추기 위하여 디퓨져(diffuser)의 다음 위치에 안내깃 역할을 하는 베인이 설치될 수 있으며, 이를 디스윌러(deswirler)라고 한다.
연소기(1200)에서는 유입된 압축공기를 연료와 혼합, 연소시켜 높은 에너지의 고온, 고압 연소가스를 만들어 내며, 등압연소과정으로 연소기 및 터빈 부품이 견딜 수 있는 내열한도까지 연소가스 온도를 높이게 된다.
가스 터빈의 연소시스템을 구성하는 연소기는 셀 형태로 형성되는 하우징 내에 다수가 배열될 수 있으며, 연료분사노즐 등을 포함하는 버너(Burner)와, 연소실을 형성하는 연소기 라이너(Combuster Liner), 그리고 연소기와 터빈의 연결부가 되는 트랜지션 피스(Transition Piece)를 포함하여 구성된다.
구체적으로, 라이너는 연료노즐에 의해 분사되는 연료가 압축기의 압축공기와 혼합되어 연소되는 연소공간을 제공한다. 이러한 라이너는, 공기와 혼합된 연료가 연소되는 연소공간을 제공하는 화염통과, 화염통을 감싸면서 환형공간을 형성하는 플로우 슬리브를 포함할 수 있다. 또한 라이너의 전단에는 연료노즐이 결합되며, 측벽에는 점화플러그가 결합된다.
한편 라이너의 후단에는, 점화플러그에 의해 연소되는 연소가스를 터빈 측으로 보낼 수 있도록 트랜지션피스가 연결된다. 이러한 트랜지션피스는, 연소가스의 높은 온도에 의한 파손이 방지되도록 외벽부가 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 냉각된다.
이를 위해 트랜지션피스에는 공기를 내부로 분사시킬 수 있도록 냉각을 위한 홀들이 마련되며, 압축공기는 홀들을 통해 내부에 있는 본체를 냉각시킨 후 라이너 측으로 유동된다.
라이너의 환형공간에는 전술한 트랜지션피스를 냉각시킨 냉각공기가 유동되며, 라이너의 외벽에는 플로우 슬리브의 외부에서 압축공기가 플로우 슬리브에 마련되는 냉각 홀들을 통해 냉각공기로 제공되어 충돌할 수 있다.
한편, 연소기에서 나온 고온, 고압의 연소가스는 상술한 터빈(1300)으로 공급된다. 공급된 고온 고압의 연소가스가 팽창하면서 터빈의 회전날개에 충돌하여, 반동력을 주어 회전 토크가 야기되고, 이렇게 얻어진 회전 토크는 상술한 토크튜브를 거쳐 압축기으로 전달되고, 압축기 구동에 필요한 동력을 초과하는 동력은 발전기 등을 구동하는데 쓰이게 된다.
터빈(1300)은 기본적으로는 압축기의 구조와 유사하다. 즉, 터빈(1300)에도 압축기(1100)의 로터와 유사한 터빈 로터(1320)가 구비된다. 따라서, 터빈 로터(1320)는 터빈 로터 디스크(1322)와, 이로부터 방사상으로 배치되는 복수개의 터빈 블레이드(1324)를 포함한다. 터빈 블레이드(1324) 역시 도브테일 등의 방식으로 터빈 로터 디스크(1322)에 결합될 수 있다.
아울러, 터빈 로터 디스크(1322)의 터빈 블레이드(1324)의 사이에도 터빈 케이싱(1312)에 고정되는 복수개의 터빈 베인(1314)이 구비되어, 터빈 블레이드(1324)를 통과한 연소가스의 흐름 방향을 가이드하게 된다. 이때, 고정체에 해당하는 터빈 케이싱(1312)과 터빈 베인(1314) 역시, 회전체에 해당하는 터빈 로터(120)와 구분하기 위하여, 터빈 스테이터(110)라는 포괄적인 명칭으로 정의될 수 있다.
터빈 베인(1314)의 내측 단부와 외측 단부에 결합된 엔드월(endwall)인 베인 캐리어(200)에 의해, 터빈 베인(1314)은 하우징 내에 고정적으로 장착된다. 반면에, 하우징 내측에 회전하는 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부와 마주보는 위치에는 링 세그먼트(150)가 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부와 소정의 간극을 형성하도록 장착된다. 즉, 링 세그먼트(150)와 터빈 블레이드(1324)의 외측 단부 사이의 간극이 팁 클리어런스(Tip clearance)를 형성한다.
한편, 터빈 블레이드(1324)는 고온 고압의 연소가스와 직접 접촉하게 된다. 연소가스에 의해 터빈 블레이드(1324)가 변형될 수 있으며, 터빈 블레이드(1324)의 변형에 의해 터빈(1300)이 파손될 수도 있다. 이러한 고온에 의한 변형을 방지하기 위해 압축기(1100)와 터빈(1300)의 사이에는 연소가스보다 상대적으로 온도가 낮은 압축기(1100) 내부의 공기 일부를 분기시켜 터빈 블레이드(1324)로 공급하는 분기유로(1800)가 형성될 수 있다.
분기유로(1800)는 압축기 케이싱 외부로 형성하거나, 압축기 로터 디스크(1120)를 관통하여 내부로 형성될 수 있다. 분기유로(1800)는 압축기(1100)로부터 분기된 압축공기를 터빈 로터 디스크(1322)의 내부로 공급할 수 있다. 터빈 로터 디스크(1322)의 내부로 공급된 압축공기는 반경방향 외측으로 흐르게 되며, 터빈 블레이드(1324)의 내부로 공급되어 터빈 블레이드(1324)를 냉각할 수 있다. 또한, 하우징(1010) 외부로 연결된 분기유로(1800)는 압축기(1100)로부터 분기된 압축공기를 터빈 케이싱(1312) 내부로 공급하여 터빈 케이싱(1312) 내부를 냉각할 수 있다. 분기유로(1800)는 중간에 밸브(1820)를 구비하여 압축공기를 선택적으로 공급할 수 있다. 또한, 분기유로(1800)에는 열교환기(미도시)를 연결하여 압축공기를 선택적으로 더 냉각시킨 다음 공급할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치를 나타내는 단면도이며, 도 6은 상부 플레이트를 통해 냉각 플레이트로 공급되는 냉기의 흐름을 나타내는 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치는, 터빈 블레이드(1324)를 둘러싸는 케이싱(110)과, 케이싱에 원주방향으로 형성되는 홈에 설치되고 공급되는 냉기에 의해 수축되는 냉각 플레이트(120)와, 홈에 냉각 플레이트의 반경방향 외측에 장착되고 복수의 냉기홀(132, 134)이 형성된 상부 플레이트(130)와, 상부 플레이트의 내주면에 반경방향으로 연장되고 측면에 복수의 쿨링홀(142)이 형성된 실린더부(140)와, 냉각 플레이트의 반경방향 내측에 장착되는 링 세그먼트(150)를 포함할 수 있다.
케이싱(110)은 복수의 터빈 블레이드(1324)의 단부들로부터 소정 간격 이격되도록 배치되는 터빈 케이싱(110)이다. 터빈 케이싱(110)에는 각 링 세그먼트(150)가 장착되는 위치에 원주방향으로 홈이 형성될 수 있다.
냉각 플레이트(120)는 터빈 케이싱(110)의 홈에 설치될 수 있다. 냉각 플레이트(120)는 복수개의 세그먼트로 형성되어 원주방향으로 배치될 수 있다. 도 4 및 도 5에서 냉각 플레이트(120)의 측벽부(125) 양측 상단부에는 장착리브(126)가 형성된 것으로 도시되어 있다. 하지만, 냉각 플레이트(120)의 측벽부(125)에 장착리브(126)가 형성되지 않을 수도 있다. 냉각 플레이트(120)는 복수개의 세그먼트로 구성되므로, 각 세그먼트의 원주방향 측면이 반경방향으로 지지될 수 있도록 형성됨으로써, 장착리브가 없더라도 냉각 플레이트(120) 세그먼트들이 터빈 케이싱(110)의 홈에 고정적으로 장착될 수 있다.
링 세그먼트(150)는 냉각 플레이트(120)의 반경방향 내측에 구비되는 장착구조에 장착될 수 있다. 링 세그먼트(150)는 원주방향으로 구부러진 플레이트 형태의 본체부(152)와, 본체부(152)의 반경방향 외측면에서 외측으로 연장되었다가 축방향 외측으로 연장되는 장착리브부(154)를 포함할 수 있다.
냉각 플레이트(120)는 케이싱(110)의 홈에 배치되는 본체부(122)와, 본체부의 반경방향 내측에 형성되는 장착홈부(124)와, 본체부의 반경방향 외주면 양측에 외측으로 연장되는 한 쌍의 측벽부(125)를 포함할 수 있다.
본체부(122)는 원주방향으로 절곡된 원호형 플레이트 세그먼트 형태로 이루어질 수 있다.
장착홈부(124)는 본체부(122)의 반경방향 내측에 형성되는데, 내주면에서 축방향 양측 가장자리에서 반경방향 내측으로 연장되었다가 그 내측 단부가 서로 마주보도록 절곡됨으로써 내측에 링 세그먼트(150)의 장착리브부(154)가 삽입되는 홈을 형성할 수 있다.
한 쌍의 측벽부(125)는 본체부(122)의 반경방향 외주면 양측 가장자리에서 외측으로 연장되는 리브 형태로 이루어질 수 있다. 상기한 바와 같이, 각 측벽부(125)의 상단부 축방향 외측에는 장착리브(126)가 형성될 수도 있고 장착리브(126)가 형성되지 않을 수도 있다.
위에서 한 쌍의 측벽부(125)는 본체부(122)의 가장자리에서 연장되어 케이싱(110)의 홈 내측면에 접촉되어 있어서 측벽부라고 명명하였으나, 측벽부(125)도 핀부(128)와 마찬가지로 리브 형태로 형성되어 냉기를 전달받는 냉각핀의 일종이라 할 수 있다.
터빈 케이싱(110)의 홈에서 냉각 플레이트(120)의 반경방향 외측에는 상부 플레이트(130)가 장착된다. 냉각 플레이트(120)는 원주방향으로 절곡된 원호형 플레이트 세그먼트 형태로 이루어질 수 있다. 냉각 플레이트(120)에는 실린더부(140)가 연결되는 부위와 그 주변에 복수의 냉기홀(132, 134)이 반경방향으로 관통 형성될 수 있다.
실린더부(140)는 상부 플레이트(130)의 내주면에 반경방향으로 연장되어 일체로 형성될 수 있다. 실린더부(140)는 하단이 막힌 원형 파이프 형태로 이루어질 수 있다. 실린더부(140)의 하부 측면에 복수의 쿨링홀(142)이 형성될 수 있다. 실린더부(140)의 하단은 냉각 플레이트(120)의 본체부(122)에 접촉되도록 형성될 수 있다.
상부 플레이트(130)에 형성되는 복수의 냉기홀은 실린더부(140)의 내부로 냉기를 공급하는 제1냉기홀(132)과, 제1냉기홀의 주위에 배열되어 실린더부(140)의 외측과 냉각 플레이트(120)의 내측 사이의 공간으로 냉기를 공급하는 복수의 제2냉기홀(134)을 포함할 수 있다.
도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1냉기홀(132)은 상부 플레이트(130)에서 실린더부(140)가 연결되는 중심 부위에 관통 형성되어 실린더부(140)의 내부로 냉기를 공급한다. 실린더부(140)의 내부로 공급된 냉기는 복수의 쿨링홀(142)을 통해 실린더부(140)와 냉각 플레이트(120) 사이의 공간으로 공급될 수 있다.
복수의 제2냉기홀(134)은 제1냉기홀(132)의 주위에 4개 이상이 관통 형성될 수 있다. 복수의 제2냉기홀(134)의 중심을 연결하는 가상의 동심원은 실린더부(140)의 외경보다 크도록, 복수의 제2냉기홀(134)이 배치될 수 있다.
복수의 제2냉기홀(134)은 실린더부(140)의 외주면 방향으로 냉기를 공급하도록 경사지게 형성될 수 있다. 실린더부(140)의 하단은 냉각 플레이트(120)에 접촉되어 있으므로, 실린더부(140)가 냉각되면 그 냉기가 냉각 플레이트(120)로 전도에 의해 전달될 수 있다. 이를 위해, 상부 플레이트(130)의 반경방향 외측에서 공급되는 냉기는 복수의 제2냉기홀(134)을 통해 실린더부(140)를 집중 냉각할 수 있다.
실린더부(140)의 하단은 상기 냉각 플레이트(120)의 본체부(122) 상면에 일체로 연결되는 것이 바람직하다. 여기서, 본체부(122)의 상면이라 함은 도 5를 기준으로 본 것으로서, 엄밀하게는 본체부(122)의 반경방향 외주면이라 할 수 있다. 이렇게 상부 플레이트(130)와 실린더부(140)와 냉각 플레이트(120)까지 일체로 형성되는 3차원 구조물은 3D 프린팅에 의해 제작될 수 있다. 실린더부(140)가 냉각 플레이트(120)와 일체로 연결됨으로써, 냉기에 의해 집중 냉각되는 실린더부(140)로부터 냉각 플레이트(120)로 냉기가 더 많이 전달되어 냉각 플레이트(120)가 더 많이 수축될 수 있다.
도 7은 냉각 플레이트에 링 세그먼트가 결합된 것을 나타내는 사시도(a)와 측면도(b)이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 팁 클리어런스 제어장치에 냉기를 공급하기 전과 후에 냉각 플레이트의 반경방향 변형량을 나타내는 그림이며, 도 9는 하나의 냉각 플레이트 세그먼트에 3개의 실린더부가 배치된 경우 온도 분포를 나타내는 사시도와 냉각 플레이트의 반경방향 변형량을 나타내는 그림이다.
도 7(a) 및 도 7(b)에 도시된 바와 같이, 냉각 플레이트에 냉기를 공급하면서 가스 터빈을 작동한 경우, 상부 플레이트와 냉각 플레이트와 링 세그먼트의 반경방향으로의 변형량 분포는 링 세그먼트 내측단의 최소 변위가 약 4.58mm이고 상부 플레이트 외측단의 최대 변위가 약 5.42mm임을 알 수 있다.
도 8(a)에 도시된 바와 같이, 냉각 플레이트에 냉기를 공급하지 않고 가스 터빈을 작동한 경우, 상부 플레이트와 냉각 플레이트와 링 세그먼트의 반경방향으로의 변형량 분포는 링 세그먼트 내측단의 최소 변위가 약 4.90mm이고 상부 플레이트 외측단의 최대 변위가 약 5.86mm임을 알 수 있다.
도 8(b)에 도시된 바와 같이, 냉각 플레이트에 냉기를 공급하면서 가스 터빈을 작동한 경우, 상부 플레이트와 냉각 플레이트와 링 세그먼트의 반경방향으로의 변형량 분포는 링 세그먼트 내측단의 최소 변위가 약 4.58mm이고 냉각 플레이트 외측단의 최대 변위가 약 4.98mm임을 알 수 있다.
따라서, 팁 클리어런스 제어장치는 냉기 공급 여부에 따라 냉각 플레이트의 변위 기준으로 반경방향으로의 변형량은 최소 변위 기준으로 약 0.32mm만큼 제어할 수 있고, 최대 변위 기준으로 약 0.43mm만큼 제어할 수 있다.
도 9(a)에 도시된 바와 같이, 실린더부(140)는 하나의 링 세그먼트(150)에 대응하는 상부 플레이트(130)에 복수개(예를 들어 3개)가 배열될 수 있다. 이 경우, 팁 클리어런스 제어장치에 냉기를 공급하면서 가스 터빈을 작동한 경우 온도 분포는, 외측의 케이싱의 최저 온도가 약 338℃이고 내측의 링 세그먼트의 최고 온도가 약 884℃로 나타났다. 이렇게 냉각 플레이트가 냉각되면 반경방향 내측으로 수축하므로, 냉각 플레이트에 장착된 링 세그먼트와 터빈 블레이드 단부 사이의 팁 클리어런스가 더 많이 줄어들 수 있다.
도 9(b)에 도시된 바와 같이, 상부 플레이트(130)에 3개의 실린더부(140)가 배치되는 경우, 냉각 플레이트에 냉기를 공급하면서 가스 터빈을 작동한 경우, 상부 플레이트와 냉각 플레이트와 링 세그먼트의 반경방향으로의 변형량 분포는 링 세그먼트 내측단의 최소 변위가 약 4.34mm이고 상부 플레이트 외측단의 최대 변위가 약 5.17mm임을 알 수 있다.
따라서, 팁 클리어런스 제어장치는 냉기 공급 여부에 따라 냉각 플레이트의 변위 기준으로 반경방향으로의 변형량은 최소 변위 기준으로 약 0.56mm만큼 제어할 수 있고, 최대 변위 기준으로 약 0.69mm만큼 제어할 수 있다. 이렇게 실린더부를 더 많이 배치할 경우, 냉각 플레이트의 반경방향으로의 이동 범위는 하나의 실린더부를 구비하는 경우에 비해, 더 넓어짐을 알 수 있다.
도 10은 상부 플레이트에 형성되는 제2냉기홀들의 다른 실시예들을 나타내는 개략도이고, 도 11은 실린더부에 형성되는 쿨링홀들의 다른 실시예들을 나타내는 개략도이다.
도 10(a)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2냉기홀(134)은 상부 플레이트(130)에 제1냉기홀(132)의 주위에 4개가 동일한 간격으로 배열될 수 있다. 제1냉기홀(132)은 제2냉기홀(134)보다 큰 지름을 갖도록 형성될 수도 있고, 동일한 지름을 갖도록 형성될 수도 있다. 도 10에서 최외곽의 원은 상부 플레이트(130)에서 냉기홀들(132, 134)이 형성되는 부위를 나타낸다. 이러한 원형 디스크에 실린더부(140)가 일체로 형성된 구조물을 별도로 제작한 다음, 상부 플레이트(130)에 형성된 원형 구멍에 원형 디스크를 삽입하고 용접 등으로 조립할 수 있다.
도 10(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2냉기홀(134)은 상부 플레이트(130)에 제1냉기홀(132)의 주위에 8개가 동일한 간격으로 배열될 수도 있다. 제2냉기홀(134)이 많이 형성될 수록 이를 통해 실린더부(140) 외주면을 향해 더 많은 냉기를 공급할 수 있다.
도 10(c)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2냉기홀(134)은 상부 플레이트(130)에 제1냉기홀(132)의 주위에 8개가 배열되되, 상대적으로 지름이 큰 4개의 제2냉기홀(134)과 상대적으로 지름이 작은 4개의 제2냉기홀(134)이 교번적으로 배치될 수 있다.
도 10(d)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2냉기홀(134) 중 4개의 제2냉기홀(134)은 다른 4개의 제2냉기홀(134)에 비해 제1냉기홀(132)을 중심으로 서로 다른 동심원 상에 배열될 수 있다. 즉, 4개의 제2냉기홀(134)은 제1냉기홀(132)의 중심을 기준으로 상대적으로 작은 지름을 가진 가상의 동심원 상에 배치되고, 다른 4개의 제2냉기홀(134)은 제1냉기홀(132)의 중심을 기준으로 상대적으로 큰 지름을 가진 가상의 동심원 상에 배치될 수 있다.
도 10(e)에 도시된 바와 같이, 복수의 제2냉기홀(134)은 제1냉기홀(132)의 중심 쪽으로 경사지게 형성될 수 있음과 더불어, 제2냉기홀(134)들을 지나는 가상의 동심원 방향으로도 경사지게 형성될 수 있다. 이 경우, 제2냉기홀(134)들을 통과하는 냉기가 실린더부(140) 외주면을 향해 공급되도록 안내될 뿐만 아니라, 그 냉기가 실린더부(140) 외측과 냉각 플레이트(120) 내측 사이의 공간에서 회전하여 유동하도록 안내될 수 있다.
도 11(a)에 도시된 바와 같이, 실린더부(140)의 측벽에 형성되는 복수의 쿨링홀(142)은 좌우방향으로 즉, 터빈 축방향으로 형성될 수 있다.
도 11(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 쿨링홀(142)은 실린더부(140)의 측벽에 반경방향 높이를 달리하여 2 이상의 세트로 형성될 수 있다. 쿨링홀(142)의 갯수가 많을수록 쿨링홀(142)들을 통해 냉기가 더 많이 통과하므로, 냉각 성능이 더 향상될 수 있다.
도 11(c)에 도시된 바와 같이, 복수의 쿨링홀(142)은 실린더부(140)의 측벽에 경사지게 형성될 수 있다. 도 11(c)를 기준으로 복수의 쿨링홀(142)은 실린더부(140)의 상부 내측에서 하부 외측으로 연통되도록 경사지게 형성될 수 있다. 이렇게 쿨링홀(142)이 경사지게 형성되면, 이를 통해 냉기가 유동하는 경로가 길어지므로, 냉각 성능이 더 향상될 수 있다.
도 11(d)에 도시된 바와 같이, 복수의 쿨링홀(142)은 실린더부(140)의 내부와 연통되며 좌우의 쿨링홀(142)은 서로 동일한 경사 각도를 갖도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서 양측의 두 쿨링홀(142)의 중심을 지나는 가상선은 실린더부(140)의 내부 중심에서 만날 수 있다. 복수의 쿨링홀(142)은 실린더부(140)의 측벽에 3개의 세트로 형성될 수 있다.
가스 터빈을 기동할 때에는 터빈 블레이드(1324)가 급속 가열되기 때문에 링 세그먼트(150)와 터빈 블레이드(1324) 사이의 팁 클리어런스가 작아지게 된다. 그래서, 기동시에는 냉각 플레이트(120)에 오히려 가열된 공기를 공급하여 링 세그먼트(150)를 반경방향 외측으로 이동시킴으로써, 터빈 블레이드(1324) 단부가 링 세그먼트(150)에 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
가스 터빈이 일정한 회전 속도로 작동되는 정상 상태에서는 팁 클리어런스가 커지게 되므로, 냉각 플레이트(120)에 냉기를 공급하여 링 세그먼트(150)를 반경방향 내측으로 이동시킴으로써, 팁 클리어런스를 적정 간격으로 작게 유지할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000: 가스터빈 1010: 하우징
1100: 압축기 1110: 압축기 블레이드
1112: 도브테일부 1120: 압축기 로터 디스크
1200: 연소기 1300: 터빈
1310: 터빈 스테이터 1312: 터빈 케이싱
1314: 터빈 베인 1320: 터빈 로터
1322: 터빈 로터 디스크 1324: 터빈 블레이드
1400: 디퓨져 1450: 고정너트
1500: 토크튜브 유닛 1600: 타이로드
1800: 분기유로 1820: 밸브
110: 케이싱 120: 냉각 플레이트
122: 본체부 124: 장착홈부
125: 측벽부 126: 장착리브
130: 상부 플레이트 132: 제1냉기홀
134: 제2냉기홀 140: 실린더부
142: 쿨링홀 150: 링 세그먼트
152: 본체부 154: 장착리브부
200: 베인 캐리어

Claims (20)

  1. 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치에 있어서,
    상기 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱;
    상기 케이싱에 원주방향으로 형성되는 홈에 설치되고 공급되는 냉기에 의해 수축되는 냉각 플레이트;
    상기 홈에 상기 냉각 플레이트의 반경방향 외측에 장착되고 복수의 냉기홀이 형성된 상부 플레이트;
    상기 상부 플레이트의 내주면에 반경방향으로 연장되고 측면에 복수의 쿨링홀이 형성된 실린더부; 및
    상기 냉각 플레이트의 반경방향 내측에 장착되는 링 세그먼트를 포함하고,
    상기 복수의 냉기홀은 상기 실린더부의 내부로 냉기를 공급하는 제1냉기홀과, 상기 제1냉기홀의 주위에 배열되어 상기 실린더부의 외측과 상기 냉각 플레이트의 내측 사이의 공간으로 냉기를 공급하는 복수의 제2냉기홀을 포함하며,
    상기 복수의 제2냉기홀은 상기 제1냉기홀의 주위에 4개 이상이 동일한 간격으로 배열되는 팁 클리어런스 제어장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2냉기홀은 상기 실린더부의 외주면 방향으로 냉기를 공급하도록 경사지게 형성되는 팁 클리어런스 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린더부의 하단은 상기 냉각 플레이트의 상면에 일체로 연결되는 팁 클리어런스 제어장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 상기 케이싱의 홈에 배치되는 본체부와, 상기 본체부의 반경방향 내측에 형성되는 장착홈부와, 상기 본체부의 반경방향 외주면 양측에 외측으로 연장되는 한 쌍의 측벽부를 포함하는 팁 클리어런스 제어장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실린더부는 하나의 링 세그먼트에 대응하는 상부 플레이트에 복수개가 배열되는 팁 클리어런스 제어장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2냉기홀은 상기 제1냉기홀의 주위에 8개가 배열되는 팁 클리어런스 제어장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 제2냉기홀 중 4개의 제2냉기홀은 다른 4개의 제2냉기홀에 비해 상기 제1냉기홀을 중심으로 서로 다른 동심원 상에 배열되는 팁 클리어런스 제어장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 쿨링홀은 상기 실린더부의 측벽에 경사지게 형성되는 팁 클리어런스 제어장치.
  11. 외부 공기를 흡입하여 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기에 연료를 혼합하여 연소시키는 연소기;
    터빈 케이싱 내부에 터빈 블레이드가 장착되며, 상기 연소기로부터 배출되는 연소 가스에 의해 상기 터빈 블레이드가 회전하는 터빈; 및
    상기 터빈 케이싱과 터빈 블레이드 사이에 형성되는 팁 클리어런스를 제어하는 장치를 포함하고,
    상기 팁 클리어런스를 제어하는 장치는
    상기 터빈 블레이드를 둘러싸는 케이싱;
    상기 케이싱에 원주방향으로 형성되는 홈에 설치되고 공급되는 냉기에 의해 수축되는 냉각 플레이트;
    상기 홈에 상기 냉각 플레이트의 반경방향 외측에 장착되고 복수의 냉기홀이 형성된 상부 플레이트;
    상기 상부 플레이트의 내주면에 반경방향으로 연장되고 측면에 복수의 쿨링홀이 형성된 실린더부; 및
    상기 냉각 플레이트의 반경방향 내측에 장착되는 링 세그먼트를 포함하며,
    상기 복수의 냉기홀은 상기 실린더부의 내부로 냉기를 공급하는 제1냉기홀과, 상기 제1냉기홀의 주위에 배열되어 상기 실린더부의 외측과 상기 냉각 플레이트의 내측 사이의 공간으로 냉기를 공급하는 복수의 제2냉기홀을 포함하고,
    상기 복수의 제2냉기홀은 상기 제1냉기홀의 주위에 4개 이상이 동일한 간격으로 배열되는 가스 터빈.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제2냉기홀은 상기 실린더부의 외주면 방향으로 냉기를 공급하도록 경사지게 형성되는 가스 터빈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 실린더부의 하단은 상기 냉각 플레이트의 상면에 일체로 연결되는 가스 터빈.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 냉각 플레이트는 상기 케이싱의 홈에 배치되는 본체부와, 상기 본체부의 반경방향 내측에 형성되는 장착홈부와, 상기 본체부의 반경방향 외주면 양측에 외측으로 연장되는 한 쌍의 측벽부를 포함하는 가스 터빈.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 실린더부는 하나의 링 세그먼트에 대응하는 상부 플레이트에 복수개가 배열되는 가스 터빈.
  17. 삭제
  18. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 제2냉기홀은 상기 제1냉기홀의 주위에 8개가 배열되는 가스 터빈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 복수의 제2냉기홀 중 4개의 제2냉기홀은 다른 4개의 제2냉기홀에 비해 상기 제1냉기홀을 중심으로 서로 다른 동심원 상에 배열되는 가스 터빈.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 쿨링홀은 상기 실린더부의 측벽에 경사지게 형성되는 가스 터빈.

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